【研究領域課題番号】20H00128 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非平衡統計力学 / ソフトマター物理 / 生物物理 / ガラス転移 / ジャミング転移 / レオロジー / アクティブマター

【研究成果の概要】

(1)ジャミング系の非線形レオロジー: ジャミング転移点近傍における非線形レオロジーを数値実験により解析した。特に、転移点近傍での応力緩和を、振動シアのプロトコルと、微小剪断後の緩和プロトコルの両方で解析を行い、その代数的緩和が従来しられていた指数から系統的に外れることを明らかにした。この指数は剪断の振幅に敏感に依存し、振幅が線形領域から非線形領域に移行すると指数が従来の値に一致することを明らかにした。
(2)ジャミング系における超一様性：　ジャミング転移点近傍では、密度揺らぎが異常に抑えられる超一様性という現象が観測されることは以前より知られており、さらにその指数が次元に依存しないと考えられてきた。我々は２次元ジャミング系で超一様性を詳細に精査し、その指数が次元に依存することを明らかにした。またジャミング配置を生成する際のプロトコルを系統的に変化させ、超一様性を支配する特徴的な長さが変化することを明らかにした。に依存する関係を、準静的振動シアにより明らかにした。
(3)アクティブマター中の非平衡揺らぎ: アクティブマターの単純な模型の実験・数値実験を通して、その相転移現象や非平衡揺らぎの解析を行った。特に、アクティブブラウン運動モデルに、慣性項を導入することで、非平衡相分離現象を抑制することで、相分離に阻害されない状態を作り、一様かつ非平衡である定常状態における、非平衡揺らぎの特異な性質を解析した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)

【研究分野】生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

【研究領域課題番号】16K17780 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

情報熱力学 / シグナル伝達 / 情報幾何 / 不確定性関係 / オンサーガ相反関係 / 移動エントロピー / 熱力学第二法則 / 非平衡統計力学 / 酵素反応 / 量子速度限界 / 熱力学 / 大腸菌走化性 / Markovネットワーク / Onsager相反関係 / 生物物理

【研究成果の概要】

本研究において、情報と熱力学の間の融合理論である情報熱力学を進展させ、シグナル伝達などの生体情報処理の基礎理論として発展させることができた。主に、情報処理を含んだ形での流れと力の関係であるオンサーガ相反関係の一般化や、因果推定の熱力学、また情報幾何と呼ばれる情報理論の微分幾何形式と熱力学の対応関係を構築することで、熱コストと速度の間のトレードオフ関係としての熱力学的な不確定性関係を導出することに成功した。これらの結果は、生体適応センサーや一般的な酵素反応に応用が可能であり、生体内のシグナル伝達系の定量的な理解に役立つと考えられる。

【研究の社会的意義】

本研究成果は、情報理論と熱力学の融合理論である情報熱力学を発展させ、生体内のシグナル伝達の定量的な理解に役立てるための理論的な基盤を作ることである。この研究の発展によって、生体内で伝達される情報について熱力学的なコストとの関係から定量的に理解が可能となる。この研究の方向性は、低エネルギーコストで効率的な生体システムの理解に役立ち、工学的な実装の礎になると考えている。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】連携探索型数理科学

【研究領域課題番号】26310204 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非平衡統計力学 / 分子モーター / 医療 / 生物物理 / １分子計測 / 揺らぎの定理

【研究成果の概要】

分子モーターキネシンやダイニンによるオルガネラ輸送は医療や美容と関連が深い。例えばアルツハイマー病などの神経疾患では軸索輸送障害が問題となるし日焼けの原因となるメラニン色素の顆粒輸送もキネシンやダイニンが担う。非平衡統計力学は輸送を扱う学問であるが、非平衡統計力学の恒等式をこのような輸送に応用した。これらの輸送は非平衡確率過程とみなせるからである。具体的にはシナプス小胞前駆体輸送とメラニン色素顆粒輸送を調べた。前者では恒等式の利用でシナプス形成位置に異常がでる変異体において物理的要因を突き止めた。後者ではダイニン阻害剤シリオブレビンの効果を輸送に関連する力や分子モーターの数から評価した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-07-18 - 2018-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】26800207 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

多体問題 / 集団運動 / 分子モーター / DNA / クラスター / 共鳴 / 三体問題 / 重力アシスト / 非線形力学 / 統計力学 / 天体力学 / 生物物理 / 協同現象 / 国際情報交換（米国） / 幾何学 / 化学物理 / 国際情報交換（米国、伊国） / 非平衡統計力学 / 国際情報交換（米国、ドイツ）

【研究成果の概要】

ミクロな分子運動からマクロな天体運動まで、自然の各階層における多体系の集団運動を統一的に理解することは、現代科学の重要な課題である。本研究では、非線形力学、統計力学、微分幾何学の手法を駆使してこの課題に取り組んだ。その結果、ミクロな分子運動の階層においては、回転型分子モーターの運動機構やDNAの高次らせん形成に関する新たな幾何学的モデルを提案することができた。また、原子集合体の解離運動を駆動する集団的内力の競合過程を特徴付けることができた。マクロな天体運動の階層においては、共鳴重力アシストと周期軌道の不変多様体を併用することにより、燃料消費を抑えた宇宙機の天体間遷移軌道の設計を実現した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)